光纤结构、波导原理和制造PPT幻灯片

光纤结构、波导原理和制造,回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式,主要内容,1光的基本特性,-17世纪意大利格里马蒂和英国胡克观测到光的衍射现象-1690年海牙物理学家惠更斯提出光的波动性学说-1801年托马斯杨双缝干涉实验-1817年菲涅尔解释并重新演示了光的衍射-1865年麦克斯韦发表电磁场理论并预言光是一种电磁波-1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的预言,光的波动性,光两种典型的传播方式,定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前性质：光的传播方向垂直于波前,假设光在各向同性的均匀介质中传播,平面波,光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向(1821年，菲涅尔)给定一个空间直角坐标系O-xyz，假设一列平面波始终沿z方向传播，那么这列波可测量的电场可以表示为：其中：e为电场振动方向w为光的角频率k=2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢,E(z,t)=eEcos(t-kz),O,y,x,z,e,e,偏振态,根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光,O,y,x,z,e,e,电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0 xcos(t-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(t-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足d=2mp,其中m=0,1,2,线偏振光,q,E0y,E0 x,椭圆偏振光(d2mp,m=0,1,2,),椭圆偏振光,圆偏振光,特别地，当两个相互正交的分量E0 x=E0y=E0，且二者之间的相位差d=p/2+2mp时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，根据d取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光,光的粒子性：光电效应(1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦成功解释)1.光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的2.光子的能量仅与光子的频率有关一个频率为n的光子能量为E=hn其中h=6.6310-34Js为普朗克常数,光的量子特性,在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光照频率。,光速c=3108m/s波长：=c/v当光在媒介中传播时，速度cm=c/n常见物质的折射率：空气1.00027；水1.33；玻璃(SiO2)1.47；钻石2.42；硅3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同,2基本的光学定律和定义,光的反射定律,两种不同媒介的界面反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin=qr,折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2,光的折射定律(Snell定律),空气,玻璃,光从光密媒质折射到光疏媒质折射角大于入射角,n1sinfc=n2sin90fc=sin-1(n2/n1),n1n2,光的全反射,玻璃的折射率为1.50，空气的折射率为1.00，如果一束光从玻璃入射到玻璃-空气界面，那么，当入射角大于42度时，入射光将发生全反射。,q1波长)易于直观理解电磁场导波模式分析应用于分析单模光纤(芯径尺寸波长),n1,光纤中光的传播方式有两种：a)子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播a-1)约束光线：约束在纤芯内部传播的光线a-2)非约束光线：将折射到纤芯外面b)斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交,光纤中光的传播,P,r,n2,n1,Q,Q,n2,P,光纤的数值孔径阶跃光纤,约束光线产生内全反射的最小入射角应满足：sinfc=n2/n1空气的最小入射角应满足：nsinq0=n1sin(p/2-fc)=(n12n22)1/2小于最小入射角投射到光纤端面的光线将进入纤芯，并在芯包界面上被全反射，向前传播。,定义：数值孔径为NA=nsinq0=(n12n22)1/2=n1(2D)1/2其中D=(n2n1)/n1为芯包相对折射率差,NA是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。,n2,n1,n2,纤芯,包层,q0,n,q,f,光纤的数值孔径梯度光纤,折射率分布,其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率。,在离纤芯距离r处的数值孔径为：,其中NA(0)为轴心上的数值孔径,光纤的数值孔径梯度光纤,平板波导中的解释,d,n1,n2,n2,假设：一个平面波的两条光线1和2，以角度qHz)相反EH(EzHz),模式概述,下面为光轴剖面的几个低阶横电模式的场分布。它们表现出以下特点：(1)它们的强度在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减。(2)模式的阶数等于波导横向场量零点的个数。光的入射角越小，激发的模式阶数越低。(3)模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层。,强度简谐变化,指数衰减,指数衰减,纤芯n1,包层n2,包层n2,辐射模和泄漏模,分析表明，只有那些满足特定条件的入射光才能激励起导波模。此外还有其它模式：辐射模：光的入射角过大，导致光在波导表面产生折射进入包层形成包层模。包层模会与导波模分布在包层的能量耦合，导致导波模的功率损耗，因此需要抑制。泄漏模：一些高阶模的能量在沿光纤传播的过程中连续辐射出纤芯，很快衰减并消失。如何判断某个模式是否是导波模呢？,归一化频率(重要参数),某个模式成为导波模的条件是，它的传播常数b满足下列条件：n2kb2.405时，光纤可以支持多个传输模式，即多模光纤。这里用M表示多模光纤的模式总数，当M比较大的时候，M与V之间存在近似关系：,功率分布,如前所示，导波模的部分能量会进入包层：(1)当光纤的V值接近某个模式的截止值时，这个模式将有较多的功率进入包层。在截止点上，模式功率几乎全部进入包层并辐射出去；(2)如果光纤中有大量的模式存在，包层中总的平均光功率所占的比例可以近似等于：,最低阶模：包层20%；纤芯80%,回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性以及光纤的材料和制造工艺光纤的几种成缆方式,主要内容,单模光纤中只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图类似于左上角的截面图：,5单模光纤,圆柱空心波导中的模式结论：低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截面直径越大且能量分布越分散,模场直径(MFD)：光功率为e-2E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。,模场直径,习题2.24,电场分布一般为高斯分布：,HE11偏振态相互正交的两个简并模,双折射,任何单模光纤中都存在两个相互独立且偏振面相互正交的简并模式。由于光纤结构的不完善，使得两个相互简并的模式在光纤中以不同的相速度传播，光纤对它们具有不同的有效折射率，即双折射效应：b=k(ny-nx)或者Bf=ny-nx(低双折射光纤)10-8Bf10-3(高双折射光纤),光纤拍长,两个简并模在传播时会产生相位差。当二者相位差为2p整数倍时，则光的偏振态与入射点相同，此时称该点处出现“拍”，两个拍之间的间隔称为拍长：LB=2p/b。,2p,p/2,单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化,实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光。,d=0,dp/2,d=2p,LB,6光纤材料,选材的准则：1.能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2.在特定波长损耗低3.能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1.无源玻璃纤维；2.有源玻璃纤维；3.塑料纤维,无源玻璃纤维,玻璃纤维的主材：SiO2-物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素,有源玻璃纤维和塑料光纤,有源光纤：在SiO2中掺入稀土元素(如：铒)-光纤放大器(如：掺铒光纤放大器)塑料光纤-更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合-损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输-使用范围还十分有限,7光纤制造,两种基本方法1.直接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净组分直接制造成光纤2.汽相氧化过程：-高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒-(通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面-烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒-拉丝成纤,直接熔化法：双坩埚法,直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤具有产量大、可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为5dB/km,汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO),1970年康宁第一根损耗小于20dB/km的光纤,汽相轴向沉积法(VAD),优点：1.预制棒不再具有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密相连，可以保证制作环境清洁4.没有使用氢氧焰，单模光纤所含的OH-较低，因此损耗较低在0.20.4dB/km,1977年日本开发,改进的化学汽相沉积法(MCVD),贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤,玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成,等离子体活性化学汽相沉积法(PCVD),熔融石英管,SiCl4+O2+参杂物质,反应物质,排气口,低压工作的等离子体,玻璃层,快速来回移动的微波谐振腔(2.45GHz，8米/分钟),10001200度,飞利浦提出1978年应用于量产,直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形,可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布,沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀,光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝,光纤拉丝机,8光纤的机械和温度特性,1)光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2)光纤的延展性(1%)比金属差(20%)3)当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂4)光纤遇水容易断裂且损耗增大5)在低温下损耗随温度降低而增加,需要增强机械性能、需要防水,回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式,主要内容,9光缆,光纤成缆之后要求光缆：1.抗拉力特性光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量(100400kg)2.抗压特性光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数在100400kg/10cm3.改善温度特性、隔离潮气4.要求光缆材料不容易析氢,光缆对光纤特性的影响,1.改善光纤的温度特性虚线：光纤自身的特性曲线；实线：成缆后的特性曲线2.增加机械强度由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此其断点强度远大于光纤；不仅如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强3.成缆的附加损耗不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，(比